KR101366424B1 - 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상 - Google Patents

직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 관한 것이다.
본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은, 내주면에 돌출되어 형성되는 립 파트(110); 상기 립 파트(110)를 기준으로 하측에 형성된 메인 연소실(120); 및 상기 립 파트(110)를 기준으로 상측에 형성된 서브 연소실(130);을 포함하여 형성된 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 있어서,
상기 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 상기 메인 연소실(120)의메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)이 1.10 내지 1.40인 것을 특징으로 한다.

Description

직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상{Combustion bowl shape of Direct Injection Diesel Engine for Reducing the Soot Emission}
본 발명은 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤의 헤드 부분에서 연료가 연소되는 연소실(Combustion bowl) 형상을 개선하여 배기가스에 포함된 탄소 미립자(Soot)를 저감하도록 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 관한 것이다.
디젤엔진은 공기의 흡입 행정, 공기의 압축 행정, 연료분사 직후 폭발행정, 배기 행정을 하나의 사이클로 이루어져 반복된다.
폭발행정에서는 고온고압의 공기 중으로 연료가 분사되고, 분사된 연료는 고온고압의 공기 중에서 자기착화 연소되면서 팽창하며, 팽창이 될 때에 피스톤이 하강되면서 운동에너지를 발생시킨다.
상술한 바와 같이 연료를 직접 분사하는 방식을 직접 분사식 디젤엔진이라고 하고, 이는 첨부도면 도 1을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
첨부도면 도 1은 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 실린더 블록(10)의 내부에 실린더 라이너(12)가 형성되고 실린더 라이너(12)에는 피스톤(30)이 배치되며, 실린더 블록(10)의 상측에 실린더 헤드 블록(20)이 배치된다. 실린더 헤드 블록(20)에는 인젝터(40)가 설치되며, 인젝터(40)에서는 연료가 분사된다.
피스톤(30)의 상단에는 연소실(50)이 형성된다. 상술한 인젝터(40)에서 분사된 연료는 연소실(50)의 내측에서 특정한 목표지점(target point)을 향하여 분사된다.
분사된 연료는 고온고압의 환경에서 자기 착화되어 폭발하고, 이로써 피스톤(30)을 강하게 하강시키면서 피스톤(30)의 급강하의 운동에너지를 얻고, 이후 크랭크축에 의하여 요동운동이 회전운동으로 변환되며, 회전운동 동력을 출력하게 된다.
상술한 바와 같이, 연료가 자기 착화되어 폭발할 때에 연소되는데, 연소과정에서 탄소 미립자(분진 등), 질소산화물(NOx) 등의 대기 오염물질이 발생하게 된다. 연소실은 연료와 공기가 충분하게 혼합되어 완전연소가 이루어질 수 있는 형상을 가지도록 연구 개발되고 있다. 상술한 연소실(50)의 그 형상모양에 따라 공기와 연료의 혼합 작용에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
알려진 연소실(50)의 형상모양은 첨부도면 도 2를 참조 하여 설명한다.
첨부도면 도 2는 종래의 연소실을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 나타낸 연소실(50)은 돌출 내주면(51)이 내경 중심 쪽으로 돌출되고, 돌출 내주면(51)의 하측에는 메인 연소실(52)이 형성된다.
종래의 연소실(50)에는 인젝터(40)에서 연료가 연소실(50)로 분사되고, 연소실(50) 내에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 후에 배기된다.
연료와 공기가 혼합되고 연소되는 과정은 첨부도면 도 3을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
첨부도면 도 3는 종래의 연소실(50)에서 연료와 공기가 혼합되는 예를 크랭크 각도에 변위에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 연소실(50)은 메인 연소실(52)에서 큰 와류(vortex)를 일으키며 공기와 연료가 혼합되고, 이후에 연소실(50)의 내부의 와류와 피스톤(30)의 상단부에서 생성된 다른 와류와 상충된다. 이러한 와류간의 상충은 공기와 연료의 혼합을 촉진시켜 탄소 미립자를 산화시킨다.
그러나 종래의 연소실(50)은 메인 연소실(52)에서 집중되는 것으로 피스톤(30)의 상부 중심에서 먼 가장자리의 영역에 존재하는 공기를 효과적으로 이용하지 못하는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 연료와 공기간의 최적의 혼합비율을 가지지 못하게 되므로 배기가스의 오염 물질 저감에 한계로 지적된다.
다른 한편으로, 특허문헌1은 피스톤의 상부에 연소실을 형성하되 그 연소실의 형상은 연소실의 상측에 계단식(step)의 공간을 형성하고, 연소실 위쪽(중심에서 먼 부분) 부분의 공기와 연료의 혼합작용을 향상시켜 배기가스의 오염물질을 감소시키도록 하는 기술이 제안되었다.
그러나 특허문헌1에 기재된 연소실은 공기와 연료의 혼합 효율을 증가함에 따라 탄소 미립자(soot)의 감소효과는 기대할 수 있지만, 연소실의 상측에 오목하게 형성된 부분의 형상에 의하여 연료의 정체(stagnation)현상이 발생하고, 이로써 국부적인 연소의 집중으로 배기가스에 탄소 미립자(soot)와 더불어 질소산화물(NOx)이 증가할 가능성이 있다.
이를 부연 설명하면, 탄소 미립자의 발생량과 질소산화물의 발생량은 반비례관계로 알려져 있다. 즉, 탄소 미립자의 발생량을 최소화하기 위해서는 완전연소를 구현하여야 하는데, 이때에는 질소산화물의 발생량이 증가하고, 반대로 질소산화물의 발생량을 감소시키면 탄소 미립자의 발생량이 증가한다.
따라서 탄소 미립자의 발생량과 질소산화물의 발생량을 동시에 저감할 수 있는 디젤엔진의 연소실이 요구되는 실정이다.
특허문헌1: 미국 등록특허 제8,156,927호(2012.04.27.)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 직접 분사식 디젤엔진에서 연소실의 형상을 개선하고, 연소실에서 연료가 분사되는 목표지점(target point)을 매칭(matching)하며, 연료 분사 후에 연소실 전체의 영역에서 연료와 공기의 혼합 작용을 최대로 설정되도록 하고, 배기가스에서 탄소 미립자(soot)를 저감하도록 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 연소실에서 연소가 특정한 영역에 집중되는 것을 방지하여 탄소 미립자를 저감하면서도 종래의 기술과 동일 수준의 질소산화물(NOx)을 유지하도록 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은, 내주면에 돌출되어 형성되는 립 파트(110); 상기 립 파트(110)를 기준으로 하측에 형성된 메인 연소실(120); 및 상기 립 파트(110)를 기준으로 상측에 형성된 서브 연소실(130);을 포함하여 형성된 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 있어서, 상기 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 상기 메인 연소실(120)의메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)은 1.10 내지 1.40인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은, 상기 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 상기 메인 연소실(120)의메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)이 1.15 내지 1.35인 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은, 상기 메인 연소실(120)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(110)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 깊이 비율(H2/H1)이 2.0 내지 3.0인 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은, 상기 메인 연소실(120)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(110)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 깊이 비율(H2/H1)이 2.2 내지 2.8인 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은, 상기 립 파트(110)와 상기 메인 연소실(120)의 변곡 경계를 목표지점(tp)으로 인젝터(40)에서 연료 젯(42)이 분사되고, 상기 연료 젯(42)의 중심선을 기준으로 연소실(100)을 나눌 때에 연소실 하측부분 체적과 연소실 상측부분 체적의 비율이 7:3 내지 8:2인 것일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은 연소실의 형상을 개선함으로써 연소실 내에서 공기와 연료의 혼합 작용이 전체적으로 균일하게 이루어져 연소의 효율이 향상되고, 이로써 종래의 기술과 동일 수준의 질소산화물(NOx)이 발생하면서도 불완전 연소로 인한 탄소 미립자(soot)를 최소화할 수 있다.
도 1은 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 연소실을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 종래의 연소실에서 연료와 공기가 혼합되는 예를 크랭크 각도에 변위에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에서 연료와 공기가 혼합되는 예를 크랭크 각도에 변위에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 비교예와 본 발명의 일실시예의 연소해석 결과를 크랭크 각도에 변위에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7은 종래의 비교예와 본 발명의 일실시예에서 연소 후에 배기가스에 포함된 질소산화물과 탄소 미립자의 변화추이를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에서 연소실 직경 비율에 따른 탄소 미립자 배출량 비교 그래프이다.
도 9은 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에서 연소실 깊이 비율에 따른 탄소 미립자 배출량 비교 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연소실(100)은 피스톤(30)의 상부에 형성된다.
연소실(100)은 단면에서 살펴보면 다중 곡률로 형성되는 것으로, 좀 더 상세하게는 연소실(100)의 내주면에 립 파트(110)가 돌출되어 형성되고, 립 파트(110)의 하측에는 메인 연소실(120)이 형성되며, 립 파트(110)의 상측에는 서브 연소실(130)이 형성된다.
연소실(100)의 형상을 도 4를 참조하여 기호와 수치로 표현하면 다음과 같다.
A: 연료 분사 각도 - 인젝터에서 연료가 연소실에 분사될 때에 분사되는 각도이다.
D: 실린더 라이너 내경 - 연소실의 전체 직경으로서, 보어(Bore)의 직경이다.
D1: 립 파트 직경 - 립 파트(110)에 의해 돌출된 형상에서 돌출된 부분의 최소의 직경이다.
D2: 메인 연소실 최대 직경 - 메인 연소실(120)의 최대 직경이다.
D3: 연소실 입구 직경 - 연소실 입구의 직경이다.
H1: 립 곡률 중심 깊이 - 피스톤(30)의 상면에서부터 립 파트(110)의 곡률 형상의 곡률 중심까지의 깊이(또는 높이)이다.
H2: 연소실 최대 깊이 - 피스톤(30)의 상면에서부터 연소실(100)의 최대 깊이까지의 깊이(또는 높이)이다.
Figure 112012074623470-pat00001
상술한 표 1은 엔진의 회전수가 중속 또는 고속일 때에 직경비율(D3/D2)의 크기를 변화시켜 다르게 실시하고 그 결과 값을 표로 나타낸 것이다. 건설기계는 엔진의 동력을 표준출력으로 이용하거나 고출력으로 이용할 수 있는데, 상술한 표 1은 표준 출력일 때의 엔진 회전수를 중속으로 운전하여 실시하고, 고출력일 때에 엔진 회전수를 고속으로 운전한 실시한 결과 값이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연소실(100)은 표 1 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 립 파트 직경(D1)은 메인 연소실 최대 직경(D2)보다 작도록 제공한다. 또한, 메인 연소실(120)의 메인 연소실 최대 직경(D2)은 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)보다 작도록 제공한다.
좀 더 상세하게는, 립 파트 직경(D1)은 메인 연소실 최대 직경(D2)보다 3% 내지 10% 작게 제공될 수 있다.
또한, 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 메인 연소실(120)의 메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)은 1.10 내지 1.40으로 제공될 수 있다.
즉, 직경비율(D3/D2)이 1.10보다 작은 기존의 연소실 형상에서는 표 1 및 도8에 나타낸 바와 같이, 탄소 미립자의 발생량이 급격하게 증가하지만, 1.10이상인 경우는 탄소 미립자의 발생량이 현저하게 감소함을 알 수 있다.
한편, 직경비율(D3/D2)이 1.40보다 크면 탄소 미립자의 발생량이 급격하게 증가하지만, 1.40이하인 경우는 탄소 미립자의 발생량이 현저하게 감소함을 알 수 있다.
이로써 연료의 분사 및 유체의 유동이 원활하게 되고 연료와 공기의 혼합 작용이 더욱 활성화되어 탄소 미립자가 감소한 것임을 알 수 있다.
또한, 탄소 미립자의 발생 저감 효과를 더욱 향상시키기 위하여, 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 메인 연소실(120)의 메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)은 1.15 내지 1.35로 제공될 수 있다. 이로써 표 1 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 탄소 미립자의 발생량은 현저하게 감소함을 알 수 있다.
Figure 112012074623470-pat00002
상술한 표 2는 엔진의 회전수가 중속 또는 고속일 때에 깊이 비율(H2/H1)의 크기를 변화시켜 다르게 실시하고 그 결과 값을 표로 나타낸 것이다. 상술한 바와 같이, 건설기계는 엔진의 동력을 표준출력으로 이용하거나 고출력으로 이용할 수 있는데, 상술한 표 2는 표준 출력일 때의 엔진 회전수를 중속으로 운전하여 실시하고, 고출력일 때에 엔진 회전수를 고속으로 운전한 실시한 결과 값이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연소실(100)은 표 2 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 메인 연소실(120)의 연소실 최대 깊이(H2)와 립 파트(110)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 깊이 비율(H2/H1)은 2.0 내지 3.0으로 제공될 수 있다. 이를 부연 설명하면, 깊이 비율(H2/H1)은 2.0 내지 3.0의 범위를 가지도록 함으로써 연료가 메인 연소실의 내부공기와 상부의 공기에 모두 적절하게 혼합 작용될 수 있다.
즉, 깊이 비율(H2/H1)이 2.0보다 작은 기존의 연소실 형상에서는 표 2 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 탄소 미립자의 발생량이 급격하게 증가하지만, 2.0이상인 경우는 탄소 미립자의 발생량이 현저하게 감소함을 알 수 있다.
한편, 깊이 비율(H2/H1)이 3.0보다 크면 탄소 미립자의 발생량이 급격하게 증가하지만, 3.0 이하인 경우는 탄소 미립자의 발생량이 현저하게 감소함을 알 수 있다.
이로써 연료의 분사 및 유체의 유동이 원활하게 되고 연료와 공기의 혼합 작용이 더욱 활성화되어 탄소 미립자가 감소한 것임을 알 수 있다.
또한, 탄소 미립자의 발생 저감 효과를 더욱 향상시키기 위하여, 메인 연소실(120)의 연소실 최대 깊이(H2)와 립 파트(110)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 깊이 비율(H2/H1)은 2.2 내지 2.8로 제공될 수 있다. 이로써 표 2 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 탄소 미립자의 발생량은 현저하게 감소함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 직경비율(D3/D2) 또는 깊이비율(H2/H1)을 최적의 형상으로 설계 제공함으로써, 연료 분사 후에 연소실의 위쪽에 부분에서의 연료와 공기의 혼합 작용이 더욱 왕성하게 활성화될 수 있고, 불완전 연소로 인한 탄소 미립자(soot)의 발생을 저감할 수 있다.
한편, 인젝터(40)로부터 분사되는 연료 젯(42)의 중심은 립 파트(110)와 메인 연소실(120)의 변곡 경계를 목표지점(tp)으로 하고, 연료 젯(42)의 선을 기준, 즉 연료 분사각도(A)를 기준으로 연소실(100)을 나눌 때에 연소실 하측부분 체적과 연소실 상측부분 체적의 비율을 7:3 내지 8:2로 나누어 진다.
이로써 상술한 바와 같이, 메인 연소실(120)의 일부는 립 파트(110)보다 더 큰 체적을 가지게 되어 연료 분사 후에 연소실의 위쪽에 부분에서의 연료와 공기의 혼합 작용이 더욱 왕성하게 활성화될 수 있고, 불완전 연소로 인한 탄소 미립자(soot)의 발생을 저감할 수 있다.
연료와 공기의 혼합 작용은 첨부도면 도 5을 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에서 연료와 공기가 혼합되는 예를 크랭크 각도에 변위에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
첨부도면 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 서브 연소실(130)에서 연료와 공기의 혼합을 더욱 활성화할 수 있고, 나아가 연소실(100) 전체의 연료와 공기의 혼합 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 피스톤(30)의 냉각을 위한 오일 패스 관로 등의 구조적인 사항을 고려하여 연소실 최대 깊이(H2)가 제공될 수 있다.
이로써 본 발명의 일실시예에 따른 연료 분사의 목표지점(tp)에서 연료가 부딪히어 퍼질 때에 연소실의 하측부분과 연소실의 상측부분으로 일정한 비율을 가지고 나누어질 수 있게 된다. 즉, 연소실(100)의 내부 공기뿐만 아니라 피스톤(30)의 상단과, 중심으로부터 먼 위치의 공기와도 연료와 더욱 효과적으로 혼합될 수 있고, 이로써 연료혼합 가스의 완전연소를 꾀할 수 있어 배기가스에 포함된 유해물질(탄소 미립자와 질소산화물)을 감소시키는 효과를 가진다.
또 다른 한편으로, 서브 연소실(130)은 평탄한 형상 또는 매우 얇은 표면 깊이(th)를 가지도록 하는 오목한 형상으로 형성할 수 있다.
상술한 연료와 공기의 혼합 작용은 첨부도면 도 6 및 도 7을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
첨부도면 도 6은 종래의 비교예와 본 발명의 일실시예의 연소해석 결과를 크랭크 각도에 변위에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 비교예의 연소실에 비교하여 본 발명의 일실시예에 따른 실시예의 연소실 내에서 와류(vortex) 증가로 공기 이용률이 증가함을 알 수 있다.
좀 더 상세하게는, 연소실(100)의 내부에서 연소실의 상측부분의 연료와 공기의 혼합작용을 극대화하면 초기에 탄소 미립자(soot)의 발생이 많음에도 연소가 진행됨에 따라 탄소 미립자의 연소가 활발하게 진행되어 결과적으로 연소실 내에 발생하는 탄소 미립자의 양이 감소함을 알 수 있다.
탄소 미립자와 질소산화물의 감소추이를 첨부도면 도 7을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
첨부도면 도 7은 종래의 비교예와 본 발명의 일실시예에서 연소 후에 배기가스에 포함된 질소산화물과 탄소 미립자의 변화추이를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 연료 젯(42)이 분사되어 연소실(100)과 부딪히는 목표지점(tp)을 립 파트(110)와 메인 연소실(120)의 변곡 경계를 향하도록 하고, 연료 젯(42)의 중심을 기준으로 상측과 하측의 체적비율을 7:3 내지 8:2로 제공함으로써 연료와 공기가 더욱 완벽하게 혼합되어 완전연소를 꾀할 수 있어 탄소 미립자와 질소산화물이 현저하게 감소함을 알 수 있다.
이를 부연 설명하면 다음과 같다. 질소산화물(NOx)과 탄소 미립자(Soot)의 발생량은 서로 반비례(Trade-off) 관계에 있다. 이에 본 발명의 일실시예에 따른 연소실(100)은 질소산화물과 탄소 미립자를 동시에 저감시킬 수 있도록 질소산화물-탄소 미립자의 반비례 커브(NOx-Soot Trade Off Curve)를 이동된 형태로 개선한 것이다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이 종래인 비교예의 연소실(Re-Entrant Bowl)에 의해 연소된 배기가스의 질소산화물-탄소 미립자의 반비례 커브에 비교하여 본 발명의 일실시예에 따른 연소실(100: Chamfered Re-Entrant Bowl)에 의해 연소된 배기가스의 질소산화물-탄소 미립자의 반비례 커브가 상대적으로 덜 민감함을 확인할 수 있다.
이는 동일한 질소산화물(NOx)의 발생량 수준에서 탄소 미립자(Soot)의 양을 감소시킬 수 있음을 나타낸 것이다. 또는, 동일한 탄소 미립자(Soot)의 발생량 수준에서 질소산화물(NOx)의 양을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 연소실이 적용된 디젤엔진에서 배기가스에 포함되는 질소산화물(NOx)과 탄소 미립자(Soot)의 저감을 실현할 수 있는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상은 배기가스에 포함된 수트(Soot)와 질소산화물(NOx)를 저감하도록 하는 데에 이용될 수 있다.
10: 실린더 블록
20: 실린더 헤드 블록
30: 피스톤
40: 인젝터
42: 연료 젯(jet)
100: 연소실
110: 립 파트(rip part)
120: 메인 연소실
130: 서브 연소실

Claims (5)

  1. 내주면에 돌출되어 형성되는 립 파트(110);
    상기 립 파트(110)를 기준으로 하측에 형성된 메인 연소실(120); 및
    상기 립 파트(110)를 기준으로 상측에 형성된 서브 연소실(130);을 포함하여 형성된 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상에 있어서,
    상기 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 상기 메인 연소실(120)의메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)은 1.10 내지 1.40인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 서브 연소실(130)의 연소실 입구 직경(D3)과 상기 메인 연소실(120)의메인 연소실 최대 직경(D2)의 직경 비율(D3/D2)이 1.15 내지 1.35인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메인 연소실(120)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(110)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 깊이 비율(H2/H1)이 2.0 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 메인 연소실(120)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(110)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 깊이 비율(H2/H1)이 2.2 내지 2.8인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 립 파트(110)와 상기 메인 연소실(120)의 변곡 경계를 목표지점(tp)으로 인젝터(40)에서 연료 젯(42)이 분사되고, 상기 연료 젯(42)의 중심선을 기준으로 연소실(100)을 나눌 때에 연소실 하측부분 체적과 연소실 상측부분 체적의 비율을 7:3 내지 8:2인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 디젤엔진에서 탄소 미립자 저감을 위한 연소실 형상.
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